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Articulo de referencia

Confort térmico

Imagen térmica de un ser humano vestido [ 1 ] El confort térmico es el estado mental que expresa satisfacción subjetiva con el ambiente térmico. [ 2 ] El cuerpo humano puede con...

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Imagen térmica de un ser humano vestido [ 1 ]

El confort térmico es el estado mental que expresa satisfacción subjetiva con el ambiente térmico. [ 2 ] El cuerpo humano puede considerarse como una máquina térmica donde los alimentos son la energía de entrada. El cuerpo humano libera el exceso de calor al ambiente para poder seguir funcionando. La transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. En ambientes fríos, se libera más calor del que el cuerpo genera, y en ambientes cálidos, el cuerpo no puede liberar suficiente calor. Tanto el calor como el frío provocan incomodidad. [ 3 ] Mantener este nivel de confort térmico para los ocupantes de edificios u otros recintos es uno de los objetivos importantes de los ingenieros de diseño de HVAC ( calefacción , ventilación y aire acondicionado ).

La neutralidad térmica se mantiene cuando el calor generado por el metabolismo humano se disipa, manteniendo así el equilibrio térmico con el entorno. Los principales factores que influyen en la neutralidad térmica son aquellos que determinan la ganancia y la pérdida de calor, a saber, la tasa metabólica , el aislamiento de la ropa , la temperatura del aire , la temperatura radiante media , la velocidad del aire y la humedad relativa . Los parámetros psicológicos, como las expectativas individuales, y los parámetros fisiológicos también afectan la neutralidad térmica. [ 4 ] La temperatura neutra es la temperatura que puede conducir a la neutralidad térmica y puede variar mucho entre individuos y dependiendo de factores como el nivel de actividad, la ropa y la humedad. Las personas son muy sensibles incluso a pequeñas diferencias en la temperatura ambiental. A 24  °C (75,2  °F), se puede detectar una diferencia de 0,38  °C (0,684  °F) entre la temperatura de dos habitaciones. [ 5 ]

El modelo de Voto Medio Previsto (PMV) se encuentra entre los modelos de confort térmico más reconocidos. Fue desarrollado utilizando principios de balance de calor y datos experimentales recopilados en una cámara climática controlada bajo condiciones de estado estacionario . [ 6 ] El modelo adaptativo, por otro lado, fue desarrollado a partir de cientos de estudios de campo con la idea de que los ocupantes interactúan dinámicamente con su entorno. Los ocupantes controlan su entorno térmico mediante ropa, ventanas practicables, ventiladores, calefactores personales y parasoles. [ 4 ] [ 7 ] El modelo PMV puede aplicarse a edificios con aire acondicionado, mientras que el modelo adaptativo solo puede aplicarse a edificios donde no se han instalado sistemas mecánicos. [ 2 ] No existe consenso sobre qué modelo de confort debe aplicarse para edificios que están parcialmente climatizados espacial o temporalmente.

Los cálculos de confort térmico de acuerdo con la norma ANSI/ASHRAE 55 , [ 2 ] la norma ISO 7730 [ 8 ] y la norma EN 16798-1 [ 9 ] se pueden realizar libremente con la herramienta CBE Thermal Comfort Tool para ASHRAE 55, [ 10 ] con el paquete Python pythermalcomfort [ 11 ] o con el paquete R comf.

Significado

La satisfacción con el ambiente térmico es importante porque las condiciones térmicas pueden ser potencialmente mortales para los humanos si la temperatura corporal central alcanza condiciones de hipertermia , por encima de 37,5–38,3  °C (99,5–100,9  °F), [ 12 ] [ 13 ] o hipotermia , por debajo de 35,0  °C (95,0  °F). [ 14 ] Los edificios modifican las condiciones del ambiente externo y reducen el esfuerzo que el cuerpo humano necesita hacer para mantenerse estable a una temperatura corporal humana normal, importante para el correcto funcionamiento de los procesos fisiológicos humanos .

El escritor romano Vitruvio vinculó este propósito con el nacimiento de la arquitectura. [ 15 ] David Linden también sugiere que la razón por la que asociamos las playas tropicales con el paraíso es porque en esos entornos los cuerpos humanos necesitan realizar un menor esfuerzo metabólico para mantener su temperatura corporal. [ 16 ] La temperatura no solo sustenta la vida humana; el frescor y el calor también se han convertido en diferentes culturas en un símbolo de protección, comunidad e incluso de lo sagrado. [ 17 ]

En los estudios de ciencias de la construcción , el confort térmico se ha relacionado con la productividad y la salud. Los trabajadores de oficina que están satisfechos con su ambiente térmico son más productivos. [ 18 ] [ 19 ] La combinación de alta temperatura y alta humedad relativa reduce el confort térmico y la calidad del aire interior . [ 20 ]

Aunque una temperatura estática constante puede resultar confortable, las personas se sienten atraídas por los cambios térmicos, como las fogatas y las piscinas de agua fría. El placer térmico se produce por la variación de las sensaciones térmicas, desde un estado de desagrado a uno de agrado, y el término científico para ello es aliestesia térmica positiva . [ 21 ] Desde un estado de neutralidad o confort térmico, cualquier cambio se percibirá como desagradable. [ 22 ] Esto cuestiona la suposición de que los edificios con control mecánico deben proporcionar temperaturas y confort uniformes, si ello implica la exclusión del placer térmico. [ 23 ]

Factores influyentes

Dado que existen grandes variaciones entre las personas en cuanto a la satisfacción fisiológica y psicológica , es difícil encontrar una temperatura óptima para todos en un espacio determinado. Se han recopilado datos de laboratorio y de campo para definir las condiciones que resultarán confortables para un porcentaje específico de ocupantes. [ 2 ]

Existen numerosos factores que afectan directamente al confort térmico y que pueden agruparse en dos categorías:

  1. Factores personales : características de los ocupantes, como la tasa metabólica y el nivel de vestimenta.
  2. Factores ambientales : condiciones del entorno térmico, específicamente temperatura del aire, temperatura radiante media, velocidad del aire y humedad.

Aunque todos estos factores puedan variar con el tiempo, las normas suelen referirse a un estado estacionario para estudiar el confort térmico, permitiendo únicamente variaciones limitadas de temperatura.

Factores personales

Tasa metabólica

Las personas tienen diferentes tasas metabólicas que pueden fluctuar debido al nivel de actividad y las condiciones ambientales. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] ASHRAE 55-2017 define la tasa metabólica como la tasa de transformación de energía química en calor y trabajo mecánico por las actividades metabólicas de un individuo, por unidad de área de superficie de la piel. [ 2 ] : 3

La tasa metabólica se expresa en unidades de met, equivalentes a 58,2 W/m² ( 18,4 Btu/h·ft² ) . Un met equivale a la energía producida por unidad de superficie de una persona promedio sentada en reposo.

ASHRAE 55 proporciona una tabla de tasas metabólicas para diversas actividades. Algunos valores comunes son 0,7 met para dormir, 1,0 met para estar sentado y en reposo, 1,2–1,4 met para actividades ligeras de pie, 2,0 met o más para actividades que implican movimiento, caminar, levantar cargas pesadas u operar maquinaria. Para la actividad intermitente, la norma establece que es permisible utilizar una tasa metabólica promedio ponderada en el tiempo si las personas realizan actividades que varían durante un período de una hora o menos. Para períodos más largos, deben considerarse diferentes tasas metabólicas. [ 2 ]

Según el Manual de Fundamentos de ASHRAE, estimar las tasas metabólicas es complejo, y para niveles superiores a 2 o 3 MET —especialmente si existen diversas formas de realizar dichas actividades— la precisión es baja. Por lo tanto, la norma no es aplicable para actividades con un nivel promedio superior a 2 MET. Los valores de MET también pueden determinarse con mayor precisión que los tabulados, utilizando una ecuación empírica que tiene en cuenta la tasa de consumo de oxígeno respiratorio y la producción de dióxido de carbono. Otro método fisiológico, aunque menos preciso, está relacionado con la frecuencia cardíaca, ya que existe una relación entre esta y el consumo de oxígeno. [ 27 ]

El Compendio de Actividades Físicas es utilizado por los médicos para registrar la actividad física. Presenta una definición diferente de MET, que se define como la relación entre la tasa metabólica de la actividad en cuestión y la tasa metabólica basal. [ 28 ] Dado que la formulación del concepto difiere de la que utiliza ASHRAE, estos valores de MET no pueden utilizarse directamente en los cálculos de PMV, pero abren una nueva vía para cuantificar la actividad física.

Los hábitos de alimentación y bebida pueden influir en las tasas metabólicas, lo que influye indirectamente en las preferencias térmicas. Estos efectos pueden variar según la ingesta de alimentos y bebidas. [ 29 ]

La forma del cuerpo es otro factor que afecta la tasa metabólica y, por lo tanto, el confort térmico. La disipación del calor depende de la superficie corporal. La superficie de una persona promedio es de 1,8 m² (  19 pies² ) . [ 2 ] Una persona alta y delgada tiene una mayor relación superficie-volumen, puede disipar el calor con mayor facilidad y tolera mejor las temperaturas altas que una persona con una forma corporal más redondeada. [ 29 ] 

Aislamiento de la ropa

La cantidad de aislamiento térmico que usa una persona tiene un impacto sustancial en el confort térmico, ya que influye en la pérdida de calor y, por consiguiente, en el equilibrio térmico. Las capas de ropa aislante evitan la pérdida de calor y pueden ayudar a mantener a una persona abrigada o provocar sobrecalentamiento. Generalmente, cuanto más gruesa es la prenda, mayor es su capacidad aislante. Dependiendo del tipo de material del que está hecha la ropa, el movimiento del aire y la humedad relativa pueden disminuir la capacidad aislante del material. [ 30 ] [ 31 ]

1 clo equivale a 0,155 m² · K/W (0,88  °F·ft² · h/Btu). Esto corresponde a pantalones, una camisa de manga larga y una chaqueta. Los valores de aislamiento térmico para otras prendas comunes o prendas individuales se pueden encontrar en ASHRAE 55. [ 2 ]

Humedad de la piel

La humedad de la piel se define como "la proporción de la superficie total de la piel del cuerpo cubierta de sudor". [ 32 ] La humedad de la piel en diferentes áreas también afecta la percepción de confort térmico. La humedad puede aumentar la humedad en diferentes áreas del cuerpo, lo que lleva a una percepción de incomodidad. Esto generalmente se localiza en diferentes partes del cuerpo, y los límites locales de confort térmico para la humedad de la piel difieren según las ubicaciones del cuerpo. [ 33 ] Las extremidades son mucho más sensibles a la incomodidad térmica por humedad que el tronco del cuerpo. Aunque la incomodidad térmica local puede ser causada por la humedad, el confort térmico de todo el cuerpo no se verá afectado por la humedad de ciertas partes.

Factores ambientales

Temperatura del aire

La temperatura del aire es la temperatura promedio del aire que rodea al ocupante, en función de la ubicación y el tiempo. Según la norma ASHRAE 55, el promedio espacial considera los niveles de tobillo, cintura y cabeza, que varían para los ocupantes sentados o de pie. El promedio temporal se basa en intervalos de tres minutos con al menos 18 puntos igualmente espaciados en el tiempo. La temperatura del aire se mide con un termómetro de bulbo seco y, por esta razón, también se conoce como temperatura de bulbo seco .

Temperatura radiante media

La temperatura radiante está relacionada con la cantidad de calor radiante transferido desde una superficie y depende de la capacidad del material para absorber o emitir calor, es decir, su emisividad . La temperatura radiante media depende de las temperaturas y emisividades de las superficies circundantes, así como del factor de visión , o la porción de la superficie que el objeto "ve". Por lo tanto, la temperatura radiante media que experimenta una persona en una habitación iluminada por la luz solar varía según la cantidad de su cuerpo expuesta al sol.

Velocidad del aire

La velocidad del aire se define como la tasa de movimiento del aire en un punto, independientemente de la dirección. Según la norma ANSI/ASHRAE 55 , es la velocidad promedio del aire que rodea a un ocupante representativo, en función de su ubicación y tiempo. El promedio espacial se calcula para tres alturas, definidas para la temperatura promedio del aire. Para un ocupante que se desplaza en un espacio, los sensores deben seguir sus movimientos. La velocidad del aire se promedia en un intervalo de entre uno y tres minutos. Las variaciones que se produzcan en un período superior a tres minutos se considerarán como múltiples velocidades del aire diferentes. [ 34 ]

Humedad relativa

La humedad relativa (HR) es la relación entre la cantidad de vapor de agua en el aire y la cantidad máxima de vapor de agua que el aire podría contener a una temperatura y presión específicas. Si bien el cuerpo humano posee termorreceptores en la piel que permiten percibir la temperatura, la humedad relativa se detecta indirectamente. La transpiración es un mecanismo eficaz de pérdida de calor que se basa en la evaporación de la piel. Sin embargo, a una HR alta, el aire contiene casi la cantidad máxima de vapor de agua que puede contener, por lo que la evaporación y, por lo tanto, la pérdida de calor, disminuyen. Por otro lado, los ambientes muy secos (HR < 20-30%) también resultan incómodos debido a su efecto sobre las membranas mucosas. El nivel recomendado de humedad interior se encuentra en el rango del 30-60% en edificios con aire acondicionado, [ 35 ] [ 36 ] pero las nuevas normas, como el modelo adaptativo, permiten niveles de humedad más bajos y más altos, dependiendo de otros factores que influyen en el confort térmico.

Recientemente, se estudiaron los efectos de la baja humedad relativa y la alta velocidad del aire en personas después del baño. Los investigadores descubrieron que la baja humedad relativa provocaba incomodidad térmica, así como sensación de sequedad y picazón. Se recomienda mantener niveles de humedad relativa más altos en el baño que en otras habitaciones de la casa para lograr condiciones óptimas. [ 37 ]

Se han desarrollado varios tipos de temperatura aparente para combinar la temperatura y la humedad del aire. Para temperaturas más altas, existen escalas cuantitativas, como el índice de calor . Para temperaturas más bajas, se ha identificado una interacción relacionada únicamente de forma cualitativa:

  • La alta humedad y las bajas temperaturas hacen que el aire se sienta frío. [ 38 ]
  • El aire frío con alta humedad relativa se siente más frío que el aire seco a la misma temperatura porque la alta humedad en climas fríos aumenta la conducción de calor del cuerpo. [ 39 ]

Ha habido controversia sobre por qué el aire frío húmedo se siente más frío que el aire frío seco. Algunos creen que se debe a que, cuando la humedad es alta, nuestra piel y ropa se humedecen y se convierten en mejores conductores del calor, por lo que se produce un mayor enfriamiento por conducción. [ 40 ]

La influencia de la humedad puede verse exacerbada con el uso combinado de ventiladores (refrigeración por convección forzada). [ 41 ]

ventilación natural

Muchos edificios utilizan un sistema de climatización para controlar su temperatura. Otros se ventilan de forma natural (o cuentan con ventilación cruzada ) y no dependen de sistemas mecánicos para proporcionar confort térmico. Dependiendo del clima, esto puede reducir drásticamente el consumo de energía. Sin embargo, a veces se considera un riesgo, ya que las temperaturas interiores pueden ser demasiado extremas si el edificio está mal diseñado. Los edificios bien diseñados y con ventilación natural mantienen las condiciones interiores dentro del rango en el que abrir las ventanas y usar ventiladores en verano, y usar ropa de abrigo en invierno, puede mantener a las personas térmicamente cómodas. [ 42 ]

Modelos e índices

Existen varios modelos o índices diferentes que pueden utilizarse para evaluar las condiciones de confort térmico en interiores, como se describe a continuación.

Método PMV/PPD

Diagrama psicrométrico
Tabla de temperatura y humedad relativa
Dos representaciones alternativas del confort térmico para el método PMV/PPD

El modelo PMV/PPD fue desarrollado por PO Fanger utilizando ecuaciones de balance térmico y estudios empíricos sobre la temperatura de la piel para definir el confort. Las encuestas estándar de confort térmico preguntan a los sujetos sobre su sensación térmica en una escala de siete puntos desde frío (−3) hasta caliente (+3). Las ecuaciones de Fanger se utilizan para calcular el voto medio previsto (PMV) de un grupo de sujetos para una combinación particular de temperatura del aire , temperatura radiante media , humedad relativa , velocidad del aire, tasa metabólica y aislamiento de la ropa . [ 6 ] Un PMV igual a cero representa la neutralidad térmica, y la zona de confort se define por las combinaciones de los seis parámetros para las cuales el PMV está dentro de los límites recomendados (−0,5 < PMV < +0,5) . [ 2 ] Si bien predecir la sensación térmica de una población es un paso importante para determinar qué condiciones son confortables, es más útil considerar si las personas estarán satisfechas o no. Fanger desarrolló otra ecuación para relacionar el PMV con el Porcentaje Previsto de Insatisfechos (PPD). Esta relación se basó en estudios que encuestaron a sujetos en una cámara donde las condiciones interiores podían controlarse con precisión. [ 6 ]

El modelo PMV/PPD se aplica globalmente pero no tiene en cuenta directamente los mecanismos de adaptación ni las condiciones térmicas exteriores. [ 4 ] [ 43 ] [ 44 ]

La norma ASHRAE 55-2017 utiliza el modelo PMV para establecer los requisitos de las condiciones térmicas interiores. Requiere que al menos el 80 % de los ocupantes estén satisfechos. [ 2 ]

La herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55 [ 10 ] permite a los usuarios introducir los seis parámetros de confort para determinar si una combinación determinada cumple con ASHRAE 55. Los resultados se muestran en un gráfico psicrométrico o de temperatura-humedad relativa e indican los rangos de temperatura y humedad relativa que resultarán confortables con los valores introducidos para los cuatro parámetros restantes. [ 45 ]

El modelo PMV/PPD tiene una baja precisión de predicción. [ 46 ] Utilizando la base de datos de encuestas de campo sobre confort térmico más grande del mundo, [ 47 ] la precisión del PMV para predecir la sensación térmica del ocupante fue de solo el 34%, lo que significa que la sensación térmica se predice correctamente una de cada tres veces. El PPD sobreestimó la inaceptabilidad térmica del sujeto fuera de los rangos de neutralidad térmica (-1≤PMV≤1). La precisión del PMV/PPD varía considerablemente entre las estrategias de ventilación, los tipos de edificios y los climas. [ 46 ]

Método de velocidad aérea elevada

ASHRAE 55 2013 considera las velocidades del aire superiores a 0,2 metros por segundo (0,66 ft/s) por separado del modelo de referencia. Dado que el movimiento del aire puede proporcionar refrigeración directa a las personas, especialmente si no llevan mucha ropa, las temperaturas más altas pueden resultar más confortables de lo que predice el modelo PMV. Se permiten velocidades del aire de hasta 0,8 m/s (2,6 ft/s) sin control local, y hasta 1,2 m/s con control local. Este mayor movimiento del aire aumenta la temperatura máxima de un espacio de oficina en verano de 27,5 °C ( 86,0–81,5 °F ) a 30 °C. [ 2 ]       

Energía virtual para el confort térmico

La "Energía Virtual para el Confort Térmico" es la cantidad de energía necesaria para que un edificio sin aire acondicionado sea relativamente tan confortable como uno con aire acondicionado . Esto se basa en la suposición de que la vivienda eventualmente instalará aire acondicionado o calefacción. [ 48 ] El diseño pasivo mejora el confort térmico en un edificio, reduciendo así la demanda de calefacción o refrigeración. Sin embargo, en muchos países en desarrollo , la mayoría de los ocupantes actualmente no utilizan calefacción ni refrigeración, debido a limitaciones económicas, así como a condiciones climáticas que rozan el confort, como las frías noches de invierno en Johannesburgo (Sudáfrica) o los cálidos días de verano en San José (Costa Rica). Al mismo tiempo, a medida que aumentan los ingresos, existe una fuerte tendencia a introducir sistemas de refrigeración y calefacción. Si reconocemos y premiamos las características del diseño pasivo que mejoran el confort térmico hoy, disminuimos el riesgo de tener que instalar sistemas HVAC en el futuro, o al menos garantizamos que dichos sistemas serán más pequeños y menos utilizados. O, en caso de que el sistema de calefacción o refrigeración no se instale debido a su alto costo, al menos las personas no deberían sufrir incomodidad en el interior. Por ejemplo, en San José, Costa Rica, si una casa se diseñara con grandes superficies acristaladas y aberturas pequeñas, la temperatura interior superaría fácilmente los 30 °C (86 °F) y la ventilación natural no sería suficiente para eliminar el calor residual y la radiación solar. Por eso, la Energía Virtual para el Confort es tan importante.  

La herramienta de evaluación del Banco Mundial , el software EDGE ( Excelencia en Diseño para una Mayor Eficiencia ), ilustra los posibles problemas de incomodidad en los edificios y ha creado el concepto de Energía Virtual para el Confort, que permite presentar la posible incomodidad térmica. Este enfoque se utiliza para premiar soluciones de diseño que mejoran el confort térmico incluso en edificios con ventilación natural. A pesar de la inclusión de requisitos para el sobrecalentamiento en la CIBSE, no se ha evaluado el sobreenfriamiento. Sin embargo, el sobreenfriamiento puede ser un problema, principalmente en países en desarrollo, por ejemplo, en ciudades como Lima (Perú), Bogotá y Delhi, donde las temperaturas interiores más bajas pueden ocurrir con frecuencia. Esta podría ser una nueva área de investigación y guía de diseño para la reducción de la incomodidad.

Efecto de enfriamiento

ASHRAE 55-2017 define el Efecto de Enfriamiento (CE) a velocidad del aire elevada (por encima de 0,2 metros por segundo (0,66 ft/s) ) como el valor que, al restarse tanto de la temperatura del aire como de la temperatura radiante media, produce el mismo valor SET en aire en reposo (0,1 m/s) que en el primer cálculo SET a velocidad del aire elevada. [ 2 ]  

SmiT(ta,tr,v,metromit,dolo,RH)=SmiT(ta−domi,tr−domi,v=0.1,metromit,dolo,RH){\displaystyle SET(t_{a},t_{r},v,met,clo,RH)=SET(t_{a}-CE,t_{r}-CE,v=0.1,met,clo,RH)}

El CE se puede utilizar para determinar el PMV ajustado para un entorno con velocidad del aire elevada utilizando la temperatura ajustada, la temperatura radiante ajustada y aire en reposo ( 0,2 metros por segundo (0,66 pies/s) ). Donde las temperaturas ajustadas son iguales a las temperaturas del aire y radiantes medias originales menos el CE. 

Malestar térmico local

Evitar la incomodidad térmica localizada, ya sea causada por una diferencia de temperatura vertical entre los pies y la cabeza, por un campo radiante asimétrico, por enfriamiento convectivo local (corriente de aire) o por contacto con un suelo caliente o frío, es esencial para proporcionar un confort térmico aceptable. Las personas suelen ser más sensibles a la incomodidad localizada cuando su sensación térmica es más fría que la neutra, mientras que son menos sensibles a ella cuando su cuerpo está más caliente que la neutra. [ 34 ]

Asimetría de la temperatura radiante

Las grandes diferencias en la radiación térmica de las superficies que rodean a una persona pueden causar incomodidad local o reducir la tolerancia a las condiciones térmicas. La norma ASHRAE 55 establece límites para las diferencias de temperatura permitidas entre diversas superficies. Dado que las personas son más sensibles a ciertas asimetrías que a otras, por ejemplo, la de un techo caliente en comparación con la de superficies verticales calientes y frías, los límites dependen de las superficies involucradas. El techo no puede estar más de +5 ° C (9,0 °F) más caliente, mientras que una pared puede estar hasta +23 ° C (41 °F) más caliente que las demás superficies. [ 2 ]    

Borrador

Si bien la circulación del aire puede ser agradable y brindar confort en ciertas circunstancias, a veces resulta indeseable y causa incomodidad. Esta circulación de aire no deseada se denomina "corriente de aire" y es más frecuente cuando la sensación térmica general del cuerpo es fría. Es más probable sentir una corriente de aire en las partes del cuerpo descubiertas, como la cabeza, el cuello, los hombros, los tobillos, los pies y las piernas, pero la sensación también depende de la velocidad y la temperatura del aire, la actividad y la vestimenta. [ 2 ]

Temperatura de la superficie del suelo

Los suelos demasiado calientes o demasiado fríos pueden causar incomodidad, dependiendo del calzado. La norma ASHRAE 55 recomienda que la temperatura del suelo se mantenga entre 19 y 29 °C (66 y 84 °F) en espacios donde los ocupantes usen calzado ligero. [ 2 ]  

Temperatura efectiva estándar

La temperatura efectiva estándar (SET) es un modelo de respuesta humana al ambiente térmico. Desarrollado por AP Gagge y aceptado por ASHRAE en 1986, [ 49 ] también se conoce como el modelo de dos nodos de Pierce. [ 50 ] Su cálculo es similar al del PMV porque es un índice de confort integral basado en ecuaciones de balance térmico que incorpora factores personales como la vestimenta y la tasa metabólica. Su diferencia fundamental radica en que utiliza un método de dos nodos para representar la fisiología humana en la medición de la temperatura y la humedad de la piel. [ 49 ]

El índice SET se define como la temperatura de bulbo seco equivalente de un ambiente isotérmico con un 50 % de humedad relativa en el que un sujeto, vistiendo ropa estandarizada para la actividad en cuestión, tendría el mismo estrés térmico (temperatura de la piel) y tensión termorreguladora (humedad de la piel) que en el entorno de prueba real. [ 49 ]

La investigación ha probado el modelo con datos experimentales y ha encontrado que tiende a sobreestimar la temperatura de la piel y subestimar la humedad de la piel. [ 50 ] [ 51 ] Fountain y Huizenga (1997) desarrollaron una herramienta de predicción de sensación térmica que calcula SET. [ 52 ] El índice SET también se puede calcular utilizando la herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55, [ 10 ] el paquete de Python pythermalcomfort, [ 11 ] o el paquete de R comf.

Modelo de confort adaptativo

Tabla adaptativa según la norma ASHRAE 55-2010

El modelo adaptativo se basa en la idea de que el clima exterior puede usarse como un indicador del confort interior debido a una correlación estadísticamente significativa entre ambos. La hipótesis adaptativa predice que factores contextuales, como el acceso a controles ambientales y el historial térmico previo, pueden influir en las expectativas y preferencias térmicas de los ocupantes de los edificios. [ 4 ] Numerosos investigadores han realizado estudios de campo en todo el mundo en los que encuestan a los ocupantes de edificios sobre su confort térmico mientras toman mediciones ambientales simultáneas. El análisis de una base de datos de resultados de 160 de estos edificios reveló que los ocupantes de edificios con ventilación natural aceptan e incluso prefieren un rango de temperaturas más amplio que sus homólogos en edificios sellados y climatizados porque su temperatura preferida depende de las condiciones exteriores. [ 4 ] Estos resultados se incorporaron en la norma ASHRAE 55-2004 como el modelo de confort adaptativo. El gráfico adaptativo relaciona la temperatura de confort interior con la temperatura exterior predominante y define zonas de satisfacción del 80 % y del 90 %. [ 2 ]

La norma ASHRAE-55 2010 introdujo la temperatura exterior media predominante como variable de entrada para el modelo adaptativo. Se basa en el promedio aritmético de las temperaturas exteriores medias diarias durante no menos de 7 y no más de 30 días consecutivos anteriores al día en cuestión. [ 2 ] También puede calcularse ponderando las temperaturas con diferentes coeficientes, asignando una importancia creciente a las temperaturas más recientes. En caso de utilizar esta ponderación, no es necesario respetar el límite superior para los días subsiguientes. Para aplicar el modelo adaptativo, no debe haber un sistema de refrigeración mecánica en el espacio, los ocupantes deben realizar actividades sedentarias con tasas metabólicas de 1 a 1,3 met y una temperatura media predominante de 10 a 33,5 °C (50,0 a 92,3 °F) . [ 2 ]  

Este modelo se aplica especialmente a espacios con climatización natural controlados por los ocupantes, donde el clima exterior puede afectar las condiciones interiores y, por lo tanto, la zona de confort. De hecho, estudios de De Dear y Brager demostraron que los ocupantes en edificios con ventilación natural toleraban un rango más amplio de temperaturas. [ 4 ] Esto se debe a ajustes tanto conductuales como fisiológicos, ya que existen diferentes tipos de procesos adaptativos. [ 53 ] La norma ASHRAE 55-2010 establece que las diferencias en las experiencias térmicas recientes, los cambios en la vestimenta, la disponibilidad de opciones de control y los cambios en las expectativas de los ocupantes pueden modificar las respuestas térmicas de las personas. [ 2 ]

Los modelos adaptativos de confort térmico se implementan en otras normas, como la europea EN 15251 y la norma ISO 7730. Si bien los métodos de derivación y los resultados exactos difieren ligeramente de la norma adaptativa ASHRAE 55, son sustancialmente los mismos. Una diferencia mayor radica en la aplicabilidad. La norma adaptativa ASHRAE solo se aplica a edificios sin refrigeración mecánica instalada, mientras que la EN 15251 puede aplicarse a edificios de modo mixto , siempre que el sistema no esté en funcionamiento. [ 54 ]

Básicamente existen tres categorías de adaptación térmica, a saber: conductual, fisiológica y psicológica.

Adaptación psicológica

El nivel de confort de una persona en un entorno determinado puede cambiar y adaptarse con el tiempo debido a factores psicológicos. La percepción subjetiva del confort térmico puede verse influenciada por el recuerdo de experiencias previas. La habituación se produce cuando la exposición repetida modera las expectativas futuras y las respuestas a los estímulos sensoriales. Este es un factor importante para explicar la diferencia entre las observaciones de campo y las predicciones del PMV (basadas en el modelo estático) en edificios con ventilación natural. En estos edificios, la relación con las temperaturas exteriores ha sido el doble de fuerte de lo previsto. [ 4 ]

La adaptación psicológica difiere sutilmente entre los modelos estático y adaptativo. Las pruebas de laboratorio del modelo estático permiten identificar y cuantificar factores no relacionados con la transferencia de calor (psicológicos) que influyen en la sensación de confort percibida. El modelo adaptativo se limita a informar sobre las diferencias (denominadas psicológicas) entre el confort modelado y el percibido.

El confort térmico, entendido como un «estado mental», se define en términos psicológicos. Entre los factores que influyen en este estado mental (en el laboratorio) se encuentran la sensación de control sobre la temperatura, el conocimiento de la misma y la apariencia del entorno (de prueba). Una cámara de pruebas térmicas con apariencia residencial se percibía más cálida que una que parecía el interior de un refrigerador. [ 55 ]

Adaptación fisiológica

El cuerpo posee varios mecanismos de ajuste térmico para sobrevivir en entornos con temperaturas extremas. En un ambiente frío, el cuerpo utiliza la vasoconstricción , que reduce el flujo sanguíneo a la piel, la temperatura cutánea y la disipación de calor. En un ambiente cálido, la vasodilatación aumenta el flujo sanguíneo a la piel, el transporte de calor, la temperatura cutánea y la disipación de calor. [ 56 ] Si existe un desequilibrio a pesar de los ajustes vasomotores mencionados, en un ambiente cálido se inicia la producción de sudor, que proporciona enfriamiento por evaporación. Si esto no es suficiente, se produce hipertermia , la temperatura corporal puede alcanzar los 40 °C (104 °F) y puede ocurrir un golpe de calor . En un ambiente frío, se inician los escalofríos, que obligan involuntariamente a los músculos a trabajar y aumentan la producción de calor hasta diez veces. Si no se restablece el equilibrio, puede producirse hipotermia , que puede ser fatal. [ 56 ] Los ajustes prolongados a temperaturas extremas, de unos pocos días a seis meses, pueden resultar en ajustes cardiovasculares y endocrinos. Un clima cálido puede generar un mayor volumen sanguíneo, mejorando la eficacia de la vasodilatación, optimizando el funcionamiento del mecanismo de sudoración y facilitando el reajuste de las preferencias térmicas. En condiciones de frío o baja temperatura, la vasoconstricción puede volverse permanente, lo que resulta en una disminución del volumen sanguíneo y un aumento del metabolismo corporal. [ 56 ]  

Adaptación conductual

En edificios con ventilación natural, los ocupantes toman diversas medidas para mantenerse cómodos cuando las condiciones interiores se vuelven incómodas. Abrir ventanas y ventiladores, ajustar persianas o cortinas, cambiarse de ropa y consumir alimentos y bebidas son algunas de las estrategias de adaptación más comunes. Entre ellas, ajustar las ventanas es la más frecuente. [ 57 ] Quienes toman estas medidas tienden a sentirse más frescos a temperaturas más cálidas que quienes no lo hacen. [ 58 ]

Las acciones conductuales influyen significativamente en los datos de entrada de la simulación energética, y los investigadores están desarrollando modelos de comportamiento para mejorar la precisión de los resultados de la simulación. Por ejemplo, se han desarrollado muchos modelos de apertura de ventanas hasta la fecha, pero no existe consenso sobre los factores que desencadenan dicha apertura. [ 57 ]

Es posible que las personas se adapten al calor estacional volviéndose más nocturnas, realizando actividad física e incluso llevando a cabo sus negocios por la noche.

Especificidad y sensibilidad

Diferencias individuales

La sensibilidad térmica de un individuo se cuantifica mediante el descriptor F S , que toma valores más altos para individuos con menor tolerancia a condiciones térmicas no ideales. [ 59 ] Este grupo incluye mujeres embarazadas, personas con discapacidad, así como individuos menores de catorce años o mayores de sesenta, lo que se considera el rango adulto. La literatura existente proporciona evidencia consistente de que la sensibilidad a superficies calientes y frías generalmente disminuye con la edad. También hay cierta evidencia de una reducción gradual en la efectividad del cuerpo en la termorregulación después de los sesenta años. [ 59 ] Esto se debe principalmente a una respuesta más lenta de los mecanismos de contraacción en las partes inferiores del cuerpo que se utilizan para mantener la temperatura central del cuerpo en valores ideales. [ 59 ] Los adultos mayores prefieren temperaturas más cálidas que los adultos jóvenes (76 vs 72 grados F o 24.4 vs 22.2 grados Celsius). [ 55 ]

Entre los factores situacionales se incluyen la salud, el estado psicológico, las condiciones sociológicas y las actividades laborales de las personas.

Diferencias biológicas entre sexos

Aunque las preferencias de confort térmico entre sexos parecen ser pequeñas, existen algunas diferencias promedio. Los estudios han encontrado que los hombres, en promedio, reportan incomodidad debido a aumentos de temperatura mucho antes que las mujeres. Los hombres también, en promedio, estiman niveles más altos de su sensación de incomodidad que las mujeres. Un estudio reciente puso a prueba a hombres y mujeres con la misma ropa de algodón, realizando tareas mentales mientras usaban un sistema de votación para reportar su confort térmico ante cambios de temperatura. [ 60 ] Muchas veces, las mujeres prefirieron temperaturas más altas que los hombres. Pero mientras que las mujeres tienden a ser más sensibles a las temperaturas, los hombres tienden a ser más sensibles a los niveles de humedad relativa. [ 61 ] [ 62 ]

Se realizó un extenso estudio de campo en edificios residenciales con ventilación natural en Kota Kinabalu, Sabah, Malasia. Esta investigación exploró la sensibilidad térmica de ambos sexos al ambiente interior en edificios residenciales sin aire acondicionado. Se seleccionó la regresión jerárquica múltiple para el moderador categórico para el análisis de datos; el resultado mostró que, como grupo, las mujeres eran ligeramente más sensibles que los hombres a las temperaturas del aire interior, mientras que, en condiciones de neutralidad térmica, se encontró que hombres y mujeres tenían una sensación térmica similar. [ 63 ]

diferencias regionales

En distintas regiones del mundo, las necesidades de confort térmico pueden variar según el clima. En China, el clima se caracteriza por veranos cálidos y húmedos e inviernos fríos, lo que genera la necesidad de un confort térmico eficiente. La conservación de la energía en relación con el confort térmico se ha convertido en un tema crucial en China durante las últimas décadas debido al rápido crecimiento económico y demográfico. [ 64 ] Actualmente, los investigadores buscan maneras de calentar y enfriar edificios en China a un menor costo y con un menor impacto ambiental.

En las zonas tropicales de Brasil , la urbanización está creando islas de calor urbanas (ICU). Estas son áreas urbanas que han superado los límites de confort térmico debido a una gran afluencia de personas y solo descienden al rango confortable durante la temporada de lluvias. [ 65 ] Las islas de calor urbanas pueden ocurrir en cualquier ciudad o área edificada con las condiciones adecuadas. [ 66 ] [ 67 ]

En la región cálida y húmeda de Arabia Saudita , el confort térmico ha sido un tema importante en las mezquitas ; debido a que son edificios abiertos muy grandes que se utilizan solo de forma intermitente (con mucha afluencia durante la oración del mediodía los viernes), es difícil ventilarlos adecuadamente. Su gran tamaño requiere una gran cantidad de ventilación, lo que consume mucha energía, ya que los edificios se utilizan solo por cortos periodos de tiempo. La regulación de la temperatura en las mezquitas es un desafío debido a la demanda intermitente, lo que provoca que muchas mezquitas estén demasiado calientes o demasiado frías. El efecto chimenea también influye debido a su gran tamaño y crea una gran capa de aire caliente sobre las personas en la mezquita. Los nuevos diseños han colocado los sistemas de ventilación en la parte inferior de los edificios para proporcionar un mayor control de la temperatura a nivel del suelo. [ 68 ] También se están implementando nuevas medidas de monitoreo para mejorar la eficiencia. [ 69 ]

estrés térmico

El concepto de confort térmico está estrechamente relacionado con el estrés térmico. Este intenta predecir el impacto de la radiación solar , el movimiento del aire y la humedad en el personal militar que realiza ejercicios de entrenamiento o en los atletas durante eventos competitivos. Se han propuesto varios índices de estrés térmico, como el Predicted Heat Strain (PHS) o el humidex . [ 70 ] En general, los seres humanos no rinden bien bajo estrés térmico. El rendimiento de las personas bajo estrés térmico es aproximadamente un 11 % menor que su rendimiento en condiciones térmicas húmedas normales. Además, el rendimiento humano en relación con el estrés térmico varía mucho según el tipo de tarea que el individuo esté realizando. Algunos de los efectos fisiológicos del estrés térmico incluyen un aumento del flujo sanguíneo a la piel, sudoración y mayor ventilación. [ 71 ] [ 72 ]

Tensión térmica prevista (PHS)

El modelo PHS, desarrollado por el comité de la Organización Internacional de Normalización (ISO), permite la evaluación analítica del estrés térmico experimentado por un sujeto trabajador en un ambiente caluroso. [ 73 ] Describe un método para predecir la tasa de sudoración y la temperatura interna central que el cuerpo humano desarrollará en respuesta a las condiciones de trabajo. El PHS se calcula como una función de varios parámetros físicos, por lo que permite determinar qué parámetro o grupo de parámetros debe modificarse, y en qué medida, para reducir el riesgo de tensiones fisiológicas. El modelo PHS no predice la respuesta fisiológica de un sujeto individual, sino que solo considera sujetos estándar en buen estado de salud y aptos para el trabajo que realizan. El PHS puede determinarse utilizando el paquete de Python pythermalcomfort [ 11 ] o el paquete de R comf.

Límites de acción y valores límite umbral de la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH)

La ACGIH ha establecido límites de acción y valores límite umbral para el estrés térmico basándose en la tasa metabólica estimada de un trabajador y las condiciones ambientales a las que está sometido.

Esta metodología ha sido adoptada por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) como un método eficaz para evaluar el estrés térmico en los lugares de trabajo. [ 74 ]

Investigación

Los factores que afectan el confort térmico se exploraron experimentalmente en la década de 1970. Muchos de estos estudios llevaron al desarrollo y perfeccionamiento de la norma ASHRAE 55 y fueron realizados en la Universidad Estatal de Kansas por Ole Fanger y otros. Se descubrió que el confort percibido era una interacción compleja de estas variables. Se encontró que la mayoría de las personas se sentirían satisfechas con un conjunto ideal de valores. A medida que el rango de valores se desviaba progresivamente del ideal, cada vez menos personas se sentían satisfechas. Esta observación podía expresarse estadísticamente como el porcentaje de individuos que manifestaron satisfacción con las condiciones de confort y el voto medio previsto (VMP). Este enfoque fue cuestionado por el modelo de confort adaptativo, desarrollado a partir del proyecto ASHRAE 884, que reveló que los ocupantes se sentían cómodos en un rango más amplio de temperaturas. [ 4 ]

Esta investigación se aplica para crear programas de simulación energética de edificios (BES) para edificios residenciales. Los edificios residenciales en particular pueden variar mucho más en confort térmico que los edificios públicos y comerciales. Esto se debe a su menor tamaño, las variaciones en la ropa que se usa y los diferentes usos de cada habitación. Las habitaciones principales de interés son los baños y los dormitorios. Los baños deben estar a una temperatura confortable para una persona con o sin ropa. Los dormitorios son importantes porque deben acomodar diferentes niveles de ropa y también diferentes tasas metabólicas de las personas dormidas o despiertas. [ 75 ] Las horas de incomodidad son una métrica común utilizada para evaluar el rendimiento térmico de un espacio.

Actualmente, las fuerzas armadas realizan investigaciones sobre el confort térmico en la ropa. Se están investigando nuevas prendas ventiladas para mejorar la refrigeración por evaporación en entornos militares. Se están creando y probando algunos modelos en función de la cantidad de refrigeración que proporcionan. [ 76 ]

En los últimos veinte años, los investigadores también han desarrollado modelos avanzados de confort térmico que dividen el cuerpo humano en muchos segmentos y predicen la incomodidad térmica local al considerar el equilibrio térmico. [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] Esto ha abierto un nuevo campo de modelado del confort térmico que tiene como objetivo calentar/enfriar partes específicas del cuerpo.

Otra área de estudio es la hipótesis de la relación tonal-calor , que establece que un ambiente con colores cálidos (tonos rojos, naranjas y amarillos) se sentirá más cálido en términos de temperatura y confort, mientras que un ambiente con colores fríos (tonos azules y verdes) se sentirá más fresco. [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] La hipótesis de la relación tonal-calor ha sido investigada científicamente [ 83 ] y está arraigada en la cultura popular en los términos colores cálidos y fríos [ 84 ].

entornos médicos

Cuando los estudios citados intentaron analizar las condiciones térmicas para diferentes grupos de ocupantes en una misma habitación, terminaron presentando simplemente comparaciones de satisfacción con el confort térmico basadas en estudios subjetivos. Ningún estudio intentó conciliar los diferentes requisitos de confort térmico de los distintos tipos de ocupantes que deben permanecer obligatoriamente en una misma habitación. Por lo tanto, parece necesario investigar las diferentes condiciones térmicas requeridas por los distintos grupos de ocupantes en hospitales para conciliar sus diferentes necesidades en este contexto. Para conciliar las diferencias en las condiciones de confort térmico requeridas, se recomienda probar la posibilidad de utilizar diferentes rangos de temperatura radiante local en una misma habitación mediante un sistema mecánico adecuado.

Aunque se realizan diversas investigaciones sobre el confort térmico de los pacientes en hospitales, también es necesario estudiar los efectos de las condiciones de confort térmico en la calidad y cantidad de la recuperación de los pacientes. Existen investigaciones originales que demuestran la relación entre el confort térmico del personal y sus niveles de productividad, pero no se han realizado estudios específicos en hospitales sobre este tema. Por lo tanto, se recomienda investigar la cobertura y los métodos específicos para este tema. Asimismo, se recomienda investigar los sistemas de climatización para pacientes con bajos niveles de protección del sistema inmunitario (como pacientes con VIH, pacientes con quemaduras, etc.). Hay áreas importantes que aún requieren atención, como el confort térmico del personal y su relación con la productividad, el uso de diferentes sistemas de calefacción para prevenir la hipotermia en los pacientes y mejorar simultáneamente el confort térmico del personal hospitalario.

Finalmente, la interacción entre personas, sistemas y diseño arquitectónico en hospitales es un campo que requiere más trabajo para mejorar el conocimiento sobre cómo diseñar edificios y sistemas que concilien muchos factores conflictivos para las personas que ocupan estos edificios. [ 85 ]

Sistemas de confort personal

Los sistemas de confort personal (PCS) se refieren a dispositivos o sistemas que calientan o enfrían a un ocupante de un edificio de forma individual. [ 86 ] Este concepto se aprecia mejor en contraste con los sistemas HVAC centrales, que tienen ajustes de temperatura uniformes para áreas extensas. Los sistemas de confort personal incluyen ventiladores y difusores de aire de varios tipos (por ejemplo, ventiladores de escritorio, boquillas y difusores de ranura, ventiladores de techo, ventiladores de gran volumen y baja velocidad, etc.) y fuentes personalizadas de calor radiante o conductivo (calentadores de pies, calentadores de piernas, bolsas de agua caliente, etc.). Los PCS tienen el potencial de satisfacer las necesidades de confort individuales mucho mejor que los sistemas HVAC actuales, ya que las diferencias interpersonales en la sensación térmica debidas a la edad, el sexo, la masa corporal, la tasa metabólica, la vestimenta y la adaptación térmica pueden llegar a una variación de temperatura equivalente de 2–5  °C (3,6–9  °F), lo cual es imposible de cubrir para un sistema HVAC central y uniforme. [ 86 ] Además, la investigación ha demostrado que la capacidad percibida de controlar el entorno térmico de uno tiende a ampliar el rango de temperaturas tolerables de una persona. [ 4 ] Tradicionalmente, los dispositivos PCS se han utilizado de forma aislada. Sin embargo, Andersen et al. (2016) propusieron que una red de dispositivos PCS que generan microzonas de confort térmico bien conectadas, informan en tiempo real sobre la información de los ocupantes y responden a solicitudes de activación programática (por ejemplo, una fiesta, una conferencia, un concierto, etc.) pueden combinarse con aplicaciones de edificios conscientes de los ocupantes para permitir nuevos métodos de maximización del confort. [ 87 ]

Véase también

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  • Godish, T. Calidad del ambiente interior. Boca Raton: CRC Press, 2001.
  • Nicol, Fergus (2012). Confort térmico adaptativo: principios y práctica . Londres Nueva York: Routledge. ISBN 978-0-415-69159-8.
  • Humphreys, Michael (2016). Confort térmico adaptativo: fundamentos y análisis . Abingdon, Reino Unido. Nueva York, NY: Routledge. ISBN 978-0-415-69161-1.
  • Comunicaciones en el desarrollo y ensamblaje de productos textiles, Revista de acceso abierto, ISSN 2701-939X
  • Estrés por calor , Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional .
  • Estrés por frío , Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional .